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浮吊式起重機控制的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題分析
1 引言浮式起重機是重鋼公司的瓶頸設備，是礦石原料入口通道的咽喉，該設備性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到公司的生存與發(fā)展，是全公司要改造的重點(diǎn)關(guān)鍵設備。由于該設備有舉足輕重的作用，在技術(shù)改造中既要先進(jìn)，更要把安全可靠擺在頭等地位，因此在設計中先進(jìn)科技設備和控制技術(shù)成熟度是第一位的。浮式起重機是一個(gè)復雜的系統，它的控制涉及眾多工程技術(shù)問(wèn)題，是多技術(shù)系統應用的復合體。為了改善浮吊性能，保證該系統在高頻率、大運量的情況下正常運行，需對該浮吊的控制系統及相應的機械傳動(dòng)部分進(jìn)行技術(shù)改造，改造后的控制系統應能適應設備年起卸礦石200萬(wàn)噸的作業(yè)狀況。
控制系統改造涉及起升及抓斗閉合電機(2×2×110kW)、旋轉機構電機(2×2×30kW)以及變幅機構電機(2×1×30kW)共計10臺電機的驅動(dòng)及調速，實(shí)現可靠的安全聯(lián)鎖和防誤操作功能以及聯(lián)合動(dòng)作控制系統，還涉及聯(lián)動(dòng)操作臺的改造。
驅動(dòng)系統能實(shí)現大范圍的平穩調速及較快的速度提升性能(從啟動(dòng)到高速2.5s)，同時(shí)解決抓斗閉合與提升電機間的受力平衡問(wèn)題，速度調節能適應抓斗和吊裝兩種作業(yè)方式。
控制系統要具備較高的安全可靠性及完備的防誤操作功能;聯(lián)動(dòng)操作臺要操作簡(jiǎn)單易掌握，貼近原操作習慣，且有較高的使用壽命，適應頻繁操作;整個(gè)系統能在高溫高粉塵的惡劣環(huán)境下正常工作，適應正負百分之十的電網(wǎng)電壓波動(dòng)。因此，在系統功能實(shí)現上，有一定難度，以下就有關(guān)技術(shù)實(shí)現問(wèn)題作些討論。2 系統總體設計考慮
(1) 驅動(dòng)系統設計及選型
為提高浮吊作業(yè)效率，既要提高驅動(dòng)系統的速度響應，又要減少故障檢修及常規檢修的周期和頻率，采用變頻調速方式可以很好的滿(mǎn)足浮吊設備對于驅動(dòng)系統的要求。
變頻器有很寬的調速范圍，可以設定加減速時(shí)間;良好的低速力矩特性使得電動(dòng)機在啟動(dòng)和加速時(shí)能夠獲得大而且平滑的加速度;制動(dòng)單元的接入又使得電動(dòng)機在減速和停車(chē)時(shí)能夠獲得足夠的制動(dòng)力矩。上述特性保證了變頻調速系統有很好的速度響應性能。
其多段速度功能的各段速度獨立可調，可根據作業(yè)需要設定各種不同速度進(jìn)行作業(yè)。
變頻器的平穩起動(dòng)及制動(dòng)特性減少了機械沖擊，降低了結構損耗;啟動(dòng)電流較小，在頻繁起動(dòng)及制動(dòng)中減少電機熱損，延長(cháng)電機壽命;變頻器自身是高可靠性的通用標準設備，故障率極低，引入變頻器后整機的故障率降低，維護量減少，間接地提高了作業(yè)效率。
為提高操作器件的可靠性，采用多段速有級平滑調速方式。
變頻調速在低速情況及加減速過(guò)程中有明顯的節電效果。
本系統選用的是日本安川公司的616G5系列起重專(zhuān)用型變頻器，它能夠方便的實(shí)現閉環(huán)矢量控制，可實(shí)現高達1:1000的調速比，高精度的速度控制，零速時(shí)可達到150％額定力矩，廣泛的應用于起重行業(yè)。各電機原為繞線(xiàn)電機轉子串電阻方式調速，改為變頻調速后不需要更換電機，僅把電機轉子回路短接即可。
(2) 控制系統設計及選型
起重設備涉及到一系列的安全問(wèn)題，浮吊控制系統必須有很好的可靠性和完善的安全措施，保證即使在操作失誤的情況下也不會(huì )導致安全事故和設備損壞，為此本方案采用PLC來(lái)實(shí)現安全聯(lián)鎖和防誤功能。除了緊急停機操作保留直接連線(xiàn)方式外，所有的操作均通過(guò)PLC程序來(lái)實(shí)現。本系統選用西門(mén)子公司6ES7－200系列緊湊型小型PLC產(chǎn)品作為核心控制設備。
(3) 聯(lián)動(dòng)操作臺設計及選型
聯(lián)動(dòng)操作臺是浮吊的唯一操作位置和人機界面，除了作為基本操作器的手柄式凸輪控制器外，還設置了各種故障信號、緊急停機按鈕、功能選擇開(kāi)關(guān)、允許操作鑰匙開(kāi)關(guān)等。
聯(lián)動(dòng)操作器作為浮吊主要操作設備，動(dòng)作十分頻繁，要求可靠并且有較長(cháng)的使用壽命。本系統選用法國施耐德公司的XKB-E系列手柄式凸輪控制器，其操作靈活可靠，手感好，使用壽命高達各方向100萬(wàn)次，以旋轉及變幅操作器為例，即允許左旋右旋和變幅向前向后各操作100萬(wàn)次，根據浮吊作業(yè)頻率估計，每臺操作器大約可使用1年左右。
當起升或抓斗部分出現故障時(shí)，需要將抓斗下放，為此設計了機械制動(dòng)器釋放踏板和允許此項操作的鑰匙開(kāi)關(guān)。
(4) 系統的環(huán)境適應性設計及選型
浮吊位于江邊，主要任務(wù)是裝卸礦石，工作在高溫、高濕、高粉塵及振動(dòng)環(huán)境，需要采取措施保證控制系統正常工作。
浮吊主卷?yè)P室內的四臺電機、所有的控制柜等均為發(fā)熱體，夏天時(shí)將因排放熱量困難而產(chǎn)生很高的環(huán)境溫度，不利于控制系統正常工作。在該室加裝有強制通風(fēng)設備以改善散熱條件。
起升及抓斗電機工作持續性較高，在長(cháng)時(shí)間低速運行時(shí)由于內置風(fēng)扇工作效率低而導致散熱能力差，改為外部強制風(fēng)冷。
各控制柜采用進(jìn)口柜體，密閉式結構可防止粉塵及濕氣侵入，柜體上加裝帶過(guò)濾罩的強制通風(fēng)風(fēng)機以排放柜內熱量，裝有PLC的柜體裝設柜用空調器，保證系統可以在-10-65℃的環(huán)境溫度下正常工作。
各主要電氣設備均選用具有抗振能力的進(jìn)口設備。為了保證整個(gè)控制系統的高可靠性，本系統對于斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接觸器以及按鈕信號燈等低壓電器統一選用了歐洲著(zhù)名品牌，德國金鐘－默勒公司的產(chǎn)品。3 控制系統詳細設計
3.1 電氣主回路設計中的幾個(gè)問(wèn)題
(1) 電氣保護
各支路入口用支路斷路器作支路短路保護及后備過(guò)載保護，支路的過(guò)載保護、過(guò)壓及欠壓保護和其他保護則由變頻器自身的保護功能承擔。由隔離變壓器提供控制電源及向PLC供電，以盡可能減小PLC及控制元件受電源干擾導致工作不正常的可能性。隔離變壓器前端設一斷路器作為短路保護及線(xiàn)路保護。
(2) 變頻器出口隔離開(kāi)關(guān)
電動(dòng)機在檢修或較長(cháng)時(shí)間停止運行后，要進(jìn)行絕緣檢測，合格才能夠投入運行，而變頻器是電力電子類(lèi)設備，不能進(jìn)行常規絕緣檢測，為此，在各變頻器之后都設置了隔離開(kāi)關(guān)，以便在需要時(shí)方便地將變頻器與電動(dòng)機斷開(kāi)。
(3) 制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻
起升及抓斗電機在負荷下降時(shí)，重物的勢能將轉化成為電能，再由變頻器附加的制動(dòng)電阻將此電能轉變?yōu)闊崮芎纳⒌�，以達到平穩制動(dòng)的目的。旋轉及變幅電機也附加了制動(dòng)電阻，作為減速過(guò)程中的制動(dòng)手段。制動(dòng)電阻是通過(guò)制動(dòng)單元接入變頻器的，制動(dòng)單元能夠根據需要自動(dòng)投入和切除制動(dòng)電阻。制動(dòng)電阻安裝在控制柜外專(zhuān)門(mén)的電阻安裝支架上。
(4) 機械制動(dòng)器控制
各電機的機械制動(dòng)器由接觸器控制。其中變幅制動(dòng)器電源取自支路斷路器后端，以保證只有在變頻器支路已經(jīng)得電時(shí)，機械制動(dòng)器的得電釋放才被允許。而提頭和抓斗制動(dòng)器由于需要保證故障時(shí)允許抓斗下放，故單獨設計斷路器加以保護。
(5) 旋轉編碼器
為防止在啟動(dòng)時(shí)機械制動(dòng)器放開(kāi)后重物突然下滑或變幅機構突然前傾，起升、抓斗及變幅電機的變頻調速均采用閉環(huán)矢量模式，以獲得較迅速的力矩響應。閉環(huán)回路的轉速檢測由裝在電機軸端的旋轉編碼器實(shí)現。
3.2 控制系統設計中的關(guān)鍵點(diǎn)
PLC是整個(gè)浮吊控制系統的核心，除了緊急停機按鈕以外，所有的操作設備、檢測設備和執行設備都是通過(guò)PLC互相聯(lián)系起來(lái)的。為減小電氣干擾的影響，除就近的聯(lián)動(dòng)操作臺信號外，PLC的所有輸入輸出均通過(guò)入口及出口繼電器連接。緊急停機按鈕是在發(fā)生緊急情況時(shí)人為干預的最后手段，即使在PLC功能已經(jīng)失效的情況下也能夠正常起作用，該信號直接作用于各支路斷路器使其跳閘，用切斷電源的方式迫使整個(gè)浮吊立即停止工作的。聯(lián)動(dòng)操作臺上其他所有的操作指令全部以接點(diǎn)方式輸入PLC，再由PLC去控制各變頻器以使各電動(dòng)機正反轉、加減速以及停止運行。操作指令與電動(dòng)機的運轉方向和速度之間有一一對應關(guān)系，通過(guò)PLC實(shí)現聯(lián)鎖關(guān)系。
(1) 調速指令及變頻器狀態(tài)信號
PLC以接點(diǎn)方式向各變頻器發(fā)送運行、停止、運轉方向及速度分級指令，并采集變頻器的運行及故障等狀態(tài)信號。
(2) 速度反饋信號
速度反饋信號由旋轉編碼器采集，經(jīng)PG卡直接送入變頻器參與閉環(huán)控制。
(3) 接觸器控制及反饋
所有的機械制動(dòng)器要求在變頻器開(kāi)始運行時(shí)可靠釋放，在因故使變頻器停止運行時(shí)可靠抱合，其功能由PLC經(jīng)過(guò)邏輯判斷后通過(guò)控制接觸器的閉合和釋放來(lái)實(shí)現，并采入接觸器輔助觸點(diǎn)信號以判斷接觸器是否正常工作。
(4) 超行程信號
在起升、抓斗及變幅等各個(gè)機構上設有超行程限位開(kāi)關(guān)，其信號全部送入PLC，在超行程信號時(shí)發(fā)出指令讓相應的機構停止動(dòng)作，以防失控損壞設備。
(5) 斷路器及隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號
在浮吊運行時(shí)，要求所有的斷路器和隔離開(kāi)關(guān)都處于閉合位置，開(kāi)關(guān)的輔助觸頭將信號引入PLC，當有開(kāi)關(guān)不在閉合位置時(shí)，PLC將給出燈光提示并封鎖操作指令。
(6) 指令安全設計
由PLC發(fā)出的指令在PLC自身故障時(shí)將自動(dòng)使設備處于安全停車(chē)狀態(tài)。4 系統功能設計
4.1 基本操作功能
基本操作功能通過(guò)撥動(dòng)允許操作鑰匙開(kāi)關(guān)和左右兩個(gè)手柄式凸輪控制器實(shí)現。
(1) 允許操作鑰匙開(kāi)關(guān)
該鑰匙開(kāi)關(guān)有三個(gè)位置，分別是:禁止操作，抓斗作業(yè)和吊裝作業(yè)。浮吊在停止作業(yè)期間，該開(kāi)關(guān)置于禁止操作位置，此時(shí)所有的操作指令均被封鎖，一切操作無(wú)效。當準備開(kāi)始抓斗作業(yè)時(shí)，將鑰匙開(kāi)關(guān)置于抓斗作業(yè)位置，各項操作被允許進(jìn)行，同時(shí)，對應于凸輪控制器的各檔位，PLC將向各變頻器輸出與抓斗作業(yè)相適應的速度指令。當準備開(kāi)始吊裝作業(yè)時(shí)，將鑰匙開(kāi)關(guān)置于吊裝作業(yè)位置，各項操作被允許進(jìn)行，同時(shí)，對應于凸輪控制器的各檔位，PLC將向各變頻器輸出與吊裝作業(yè)相適應的速度指令。
(2) 旋轉及變幅操作器
該操作器為手柄式凸輪控制器�？v向除零位外前后各三個(gè)檔位，用于控制變幅機構，可以三級速度向前或向后動(dòng)作。橫向除零位外左右各三個(gè)檔位，用于控制旋轉機構，可以三級速度向左或向右旋轉。操作器可以斜向操作，即可以同時(shí)控制變幅和旋轉機構動(dòng)作。各檔位的速度可在變頻器上獨立進(jìn)行設置。
(3) 起升及抓斗操作器
該操作器為手柄式凸輪控制器�？v向除零位外前后各三個(gè)檔位，橫向有中位和右位兩個(gè)檔位，手柄在中位時(shí)，前后操作手柄將同時(shí)控制起升與抓斗電機同步運行，使抓斗上升或下降。手柄在右位時(shí)，前后操作手柄將單獨控制抓斗電機，使抓斗開(kāi)啟或閉合。各檔位的速度可在變頻器上獨立進(jìn)行設置。
4.2 安全聯(lián)鎖功能
(1) 旋轉機構電氣故障安全聯(lián)鎖
旋轉機構電氣故障包括旋轉變頻器故障、斷路器故障、隔離開(kāi)關(guān)未合上故障。故障發(fā)生后由PLC發(fā)出指令旋轉機構立即停機(其中大部分故障也將直接導致停機)，同時(shí)，起升、抓斗及變幅機構在PLC控制下減速停機，停機后其他三個(gè)機構可通過(guò)操作桿復零來(lái)激活操作功能，以便把抓斗下放到適當位置后檢修故障。
(2) 機構電氣故障安全聯(lián)鎖
變幅機構電氣故障包括變幅變頻器故障、斷路器故障、隔離開(kāi)關(guān)未合上以及由接觸器差動(dòng)信號反映的故障(差動(dòng)信號是指由PLC根據動(dòng)作指令與動(dòng)作反饋的不一致作出的故障判斷)。故障發(fā)生后由PLC發(fā)出指令變幅機構立即停機(其中大部分故障也將直接導致停機)，同時(shí)，起升、抓斗及旋轉機構在PLC控制下減速停機，停機后其他三個(gè)機構可通過(guò)操作桿復零來(lái)激活操作功能，以便把抓斗下放到適當位置后檢修故障。
(3) 起升及抓斗機構電氣故障安全聯(lián)鎖
起升及抓斗機構電氣故障包括起升或抓斗變頻器故障、斷路器故障、隔離開(kāi)關(guān)未合上以及由接觸器差動(dòng)信號反映的故障。故障發(fā)生后由PLC發(fā)出指令起升及抓斗機構立即停機，同時(shí)旋轉及變幅機構在PLC控制下減速停機，停機后其他兩個(gè)機構可通過(guò)操作桿復零來(lái)激活操作功能，以便把抓斗移動(dòng)到適當位置。
此時(shí)，PLC將作出允許故障下放操作的確認，操作下放鑰匙關(guān)閉后，操作人員即可踏動(dòng)腳踏板，通過(guò)釋放起升及抓斗機械制動(dòng)器將抓斗放下，以便檢修故障。
(4) PLC故障時(shí)的安全聯(lián)鎖
PLC出現故障時(shí)所有設備均將立即停機，PLC的連線(xiàn)邏輯設計保證了PLC故障停機時(shí)整個(gè)系統處于安全停機狀態(tài)。如果PLC在故障時(shí)出現錯誤輸出，可立即進(jìn)行緊急停機操作。
4.3 防誤操作功能
(1) 瞬間加速防誤操作
當操作人員瞬間將某個(gè)機構從零速推進(jìn)到最高速時(shí)，變頻器將不立即響應此操作，而是按正常設定以允許的最大加速度升速。
(2) 快速反向防誤操作
當操作人員將某個(gè)機構從一個(gè)方向的高速運行快速切換到反方向運行時(shí)，變頻器將不立即響應此操作，而是按正常程序減速停機，待獲得零速反饋后再進(jìn)行反向啟動(dòng)。
(3) 行程防誤操作
當操作人員不慎使起升及抓斗或者變幅機構超越正常行程，PLC將立即發(fā)出該機構的緊急停止指令，同時(shí)封鎖該方向的操作，反方向操作將在操作器復零時(shí)激活，以便機構退出超行程位置。
(4) 力矩平衡功能
抓斗提升時(shí)是由起升及抓斗電機同時(shí)動(dòng)作的，但在抓斗閉合時(shí)抓斗電機已提前動(dòng)作，因此容易導致起升及抓斗電機受力不平衡，抓斗電機及鋼繩容易受損，為解決這個(gè)問(wèn)題，在提頭及抓斗變頻器間采用力矩跟蹤控制方式，兩臺電機的受力可很快達到基本一致。5 結束語(yǔ)
浮吊式起重機由于工作環(huán)境惡劣，在設計中要考慮的技術(shù)細節問(wèn)題是比較多的，只要注意對上述提到的問(wèn)題做好技術(shù)處理，安裝調試便會(huì )順利得多，系統投運一年來(lái)，運行穩定可靠，受到用戶(hù)好評。參考文獻
[1] 朱善君等 可編程序控制系統原理、應用、維護[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2001
[2] Blmal K.Base，交流調速傳動(dòng)系統[M]. 重慶:重慶電機工程學(xué)會(huì )，1986論文出處(作者):
可變頻應急電源的應用-煉鋼轉爐氧槍事故提升電源
空壓機變頻恒壓供氣控制系統的設計
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